Description et principe de l'ampoule électrique
Qu'est-ce qu'une lampe à incandescence ?
Une lampe à incandescence, également connue sous le nom de lampe à incandescence, est une source de lumière artificielle dans laquelle la lumière est produite en chauffant un mince filament de métal à la température d'incandescence d'un métal incandescent. On fait passer un courant électrique dans le filament pour le chauffer. Les premières lampes avaient un filament fait de matière organique carbonisée, comme le bambou, sous forme de fibre.
Pour éviter que le filament ne brûle rapidement, l'air a été évacué de l'ampoule et scellé. Ou bien le flacon était rempli d'une composition gazeuse sans oxydant - l'oxygène. Ces gaz sont appelés gaz inertes : argon, néon, hélium, azote, etc. Ils sont appelés ainsi car ils ne réagissent pas avec les métaux, c'est-à-dire qu'ils sont inertes.
Les premières lampes à filament de carbone Les ampoules à filament de carbone avaient une durée de vie de moins d'une douzaine d'heures. Ce résultat a été considérablement augmenté en remplaçant le filament de carbone par un fil métallique fin.
Cette lumière était appelée lumière incandescente, c'est-à-dire la lumière du métal incandescent. Et le filament était appelé lumière incandescente. Par exemple, l'acier chauffé à 1200°C brille en jaune-blanc et à 1300°C il est presque blanc.
À la fin du XIXe siècle, le filament de carbone, qui se consumait rapidement, a été remplacé par des métaux réfractaires - tungstène, molybdène, osmium ou des oxydes métalliques - zirconium, magnésium, yttrium et autres.
Le fait de remplir une fiole de gaz inertes a permis de réduire le taux d'évaporation du métal d'un filament incandescent et, par conséquent, d'augmenter sa durée de fonctionnement.
Pour une puissance élevée, les filaments sont fabriqués sous une forme "ramifiée". Les sources de lumière de projection ont un filament de configuration complexe pour créer un flux directionnel, formant une structure plate perpendiculaire à l'axe de rayonnement. À l'intérieur de l'ampoule se trouve un réflecteur de lumière, par exemple une fine couche de métal pulvérisé comme l'argent ou l'aluminium.
Un filament métallique long et fin était nécessaire pour alimenter la lampe directement à partir de l'alimentation en courant continu de 110 V qui existait alors. Cela a permis d'augmenter la résistance et donc de réduire le courant nécessaire au chauffage.
Pour "emballer" étroitement un petit volume de flacon en verre transparent, le filament a été plié à plusieurs reprises et placé sur des porte-fils.
Cette courbure du filament a compliqué la conception des premières sources lumineuses, qui duraient beaucoup plus longtemps que les "sources en carbone". Une percée dans la conception des ampoules à incandescence a été la proposition de tordre le filament en spirale. Cela a permis de réduire sa taille de plusieurs fois.
Un corps lumineux encore plus petit a été obtenu en enroulant une bobine fine dans une deuxième bobine, mais de plus grand diamètre. La double hélice est appelée bi-hélice.
L'étape suivante dans le développement des sources lumineuses a été le passage au secteur alternatif et l'utilisation d'un transformateur pour réduire la tension d'alimentation des lampes.
Les principales parties d'une lampe à incandescence
Les éléments de base d'une lampe à incandescence sont :
- le filament ou le corps du filament ;
- un raccord pour fixer le filament ;
- ampoule pour protéger le filament d'une combustion rapide et des influences extérieures
- prise pour l'insertion dans la prise et le raccordement à l'alimentation électrique
- contacts à douille - boîtier à vis et un contact central dans la base de la douille.
Le raccord est conçu pour fixer le filament et créer la configuration et la directivité requises du flux lumineux.
Le socle est nécessaire pour le fixer dans la douille de montage et pour le connecter à l'ampoule. Dans les lampes à rétrophyte, l'équivalent des lampes à incandescence, la douille abrite une partie du bloc d'alimentation.
La base
Sur Ampoules halogènesLes ampoules halogènes, selon la tension d'alimentation, la puissance et la conception de l'ampoule, ont un certain nombre de culots différents - à vis, mâle, à baïonnette, à broche, etc.
Le système de contact sur la prise est nécessaire pour la connexion au réseau d'alimentation ou au bloc d'alimentation.
L'ampoule
Les ampoules LN transparentes sont utilisées pour :
- Protéger le filament de l'atmosphère extérieure contenant l'oxydant - l'oxygène ;
- Génération et rétention de vide ou de composition gazeuse ;
- placement de phosphore et/ou de revêtements qui convertissent différents types d'énergie électromagnétique en rayonnement visible, renvoi de la chaleur vers le filament, conversion des rayonnements invisibles UV et IR en lumière, correction de la teinte de la lampe - rouge, vert, bleu.
Filament
Le filament est un filament enroulé en bobine ou en bi-bobine, ou une fine bande de métal.
Milieu gazeux
Les gaz inertes avec lesquels l'ampoule de la lampe est remplie, par exemple l'azote, l'argon, le néon, l'hélium. Des substances halogènes sont ajoutées aux mélanges de gaz nobles.
Comment est fabriquée une ampoule électrique et comment elle fonctionne ?
La construction d'une ampoule à incandescence n'a pas beaucoup changé au cours de son développement. L'élément de base qui fonctionne sur le principe de l'incandescence à partir d'une substance incandescente est le filament ou corps de filament. Il s'agit d'un fin fil de tungstène d'un diamètre de 30-40, maximum 50 microns ou micromètres (millionièmes de mètre).
Les couleurs du corps incandescent partent du rouge et passent par l'orange, le jaune et le blanc lorsque la température augmente. Lorsque la température augmente encore, le métal incandescent commence par fondre puis, en présence d'oxygène, brûle.
Leçon vidéo : Comment fonctionnent les ampoules modernes
Un filament de tungstène froid a une faible résistivité. Le tungstène, comme la plupart des métaux, a un coefficient de température de résistance TKS positif. Cela signifie que lorsque le filament est chauffé par un courant électrique, sa résistance augmente.
Avant l'allumage de la lampe, le filament est froid et présente une faible résistance. Par conséquent, un courant de 10 à 15 fois le courant nominal est appliqué au moment de la mise sous tension. Ce pic de courant est appelé courant d'appel. Et c'est souvent la cause... souvent la cause de l'épuisement du filament.
Il faut une fraction de seconde pour que le filament se réchauffe. Pendant ce temps, sa résistance augmente. Le courant initialement élevé qui circule dans la lampe est réduit au courant nominal au fur et à mesure que le gaz, l'ampoule et tous les composants se réchauffent. Ainsi, la source lumineuse atteint le mode de fonctionnement nominal et produit le flux lumineux nominal. La couleur lumineuse devient également nominale, c'est-à-dire qu'elle correspond à une température de couleur de 2000 à 3500 K. On l'appelle blanc chaud et il existe plusieurs gradations de température de couleur dans la gamme spécifiée, avec des noms et abréviations originaux. Par exemple :
- blanc super-chaud - 2200-2400 K, désigné par S-Warm ou S-W, alias blanc très chaud ou Warm 2400 ;
- Chaud - 2600-2800 K ou Chaud 2700 ;
- blanc chaud - 2700-3500 K ou blanc chaud (WW) ;
- un autre blanc chaud - 2900-3100 K ou Warm 3000 (W).
Températures individuelles des éléments de la lampe
La surface extérieure d'une ampoule LON dépend de la puissance de la lampe et peut être chauffée à 250-300℃ ou plus.
Le filament chauffe jusqu'à 2000-2800℃, à un point de fusion du tungstène de 3410°C.
Dans certains modes de réalisation, le filament est constitué d'osmium dont le point de fusion est de 3045℃ ou de rhénium dont le point de fusion est de 2174. Cela déplace le spectre lumineux du LN vers la zone rouge du spectre visible.
Quel gaz se trouve dans l'ampoule
Dans les premières lampes, l'air était pompé hors de l'ampoule. Désormais, seules les ampoules à faible puissance (25 W maximum) sont aspirées (évacuées).
Lorsqu'un fil de tungstène chauffé à 2 à 3 000 degrés Celsius est en fonctionnement, le métal est vaporisé intensivement à sa surface. Cette vapeur se dépose à l'intérieur de l'ampoule et réduit sa transmission lumineuse.
Des recherches menées au début du siècle dernier ont montré que si le flacon est rempli d'un gaz inerte, l'évaporation est réduite et le rendement lumineux augmente. Les flacons ont donc été remplis d'un des gaz inertes ou de leurs mélanges. Les gaz les plus courants sont l'argon, l'azote, le xénon, le krypton, l'hélium, etc. L'hélium est utilisé pour un refroidissement passif efficace des éléments internes des nouveaux types de lampes à LED de rétrofit.
Cette expérience n'est absolument pas recommandée pour un usage domestique.
Leur principal élément émetteur de lumière est une fine tige de saphir ou de verre artificiel sur laquelle se trouvent les cristaux de LED. Ce type d'émetteur s'appelle un filament. Certains "experts" ont confondu l'essence de lampes à filament et les a appelées "lampes à diodes électroluminescentes en saphir". Bien que le saphir artificiel de ces lampes ne soit utilisé que comme base de montage et comme dissipateur thermique passif pour les cristaux des LED.
Dans la plupart des cas, la défaillance des LN n'est pas due à l'évaporation du métal à la surface du filament, mais à l'accélération de ce processus dans les zones de rupture de l'épaisseur du filament. Cela se produit dans la zone d'une forte courbure du fil ou de sa fracture. À ce stade, sa résistance augmente localement, la tension, la puissance dissipée et la température du métal augmentent. L'évaporation s'accélère, devient une avalanche, le filament réduit rapidement son épaisseur et se consume.
Ce problème a été résolu à la fin des années 1950 et au début des années 1960, avec la production en masse d'ampoules halogènes.
Les halogènes - chlore, brome, fluor ou iode - étaient ajoutés à un gaz ou un mélange inerte. En conséquence, le processus d'évaporation du métal s'arrête complètement ou ralentit considérablement. Les atomes de ces additifs se lient aux vapeurs de tungstène pour former des molécules de composés instables. Ceux-ci sont déposés à la surface du corps incandescent. Sous l'effet d'une température élevée, les molécules se décomposent et libèrent des atomes d'halogène et du métal pur, qui se déposent sur la surface chaude du filament et régénèrent partiellement la couche vaporisée.
Ce processus est intensifié par l'augmentation de la pression. Cela permet d'augmenter la température du filament, sa durée de vie, son rendement lumineux, son efficacité et d'autres caractéristiques. Le spectre d'émission est décalé vers le côté blanc. Dans les lampes remplies de gaz, l'assombrissement de la surface de l'ampoule de l'intérieur par la vapeur de tungstène est retardé. Ces sources lumineuses sont appelées sources lumineuses halogènes.
Paramètres électriques
Les caractéristiques électriques des lampes à incandescence sont les suivantes :
- la puissance électrique, mesurée en watts - W, la gamme des modèles disponibles va de quelques watts (une ampoule de torche fait 1 W) à 500 et même 1000 W ;
- le flux lumineux, lm (lumen), est lié à la puissance - de 20 lm à 5W à 2500 lm à 200W, le flux lumineux est plus élevé à une puissance supérieure ;
- Efficacité lumineuse, rendement énergétique ou facteur d'efficacité, Lm/W - combien de lumens de lumière en termes de flux lumineux donnent chaque watt d'énergie consommée sur le secteur ou l'alimentation électrique ;
- intensité lumineuse ou luminance, cd (candela) ;
- température de couleur - la température d'un corps noir conventionnel qui émet de la lumière avec une nuance spécifique.
Objectif d'une lampe électrique
Les lampes électriques peuvent être divisées en plusieurs types en fonction de leur application - pour un usage public, technique et spécial.
La principale utilisation publique est de fournir à tout humain, animal ou oiseau une lumière artificielle la nuit ou dans une pièce sombre.
En utilisant la lumière, les gens prolongent leur activité quotidienne de plusieurs heures. Il peut s'agir de processus de travail et d'étude, de tâches ménagères. La sécurité sur les routes, la possibilité de fournir une assistance médicale le soir et la nuit, etc. sont améliorées.
Les lampes sont activement utilisées dans les élevages de bétail et les fermes avicoles, pour la culture de plantes dans les complexes de serres. Ils sont éclairés par une lumière d'un certain spectre et d'une certaine magnitude de flux lumineux. La pisciculture nécessite également une lumière ayant une composition spectrale spécifique.
Applications techniques. Les dispositifs qui émettent de la lumière visible et invisible sont utilisés dans la fabrication à des fins technologiques. Exemples :
- Pour un travail précis et important, une personne a besoin d'un niveau élevé de lumière sur son lieu de travail ;
- IR - Le rayonnement infrarouge est utilisé dans l'industrie, par exemple pour chauffer sans contact des pièces de construction ou dans la technologie climatique pour fournir de la chaleur aux personnes travaillant en plein air ; dans la technologie militaire et de la chasse - viseurs de nuit pour les armes, dispositifs de vision nocturne, etc ;
- UV-Les rayons UV sont utilisés en dentisterie pour le durcissement rapide des plombages, des prothèses dentaires, etc., en médecine et en assainissement pour la désinfection. désinfection des locauxEn médecine et en assainissement, la désinfection des locaux, des outils, des vêtements, des surfaces des meubles, de l'air, de l'eau, des médicaments, etc.
Les lampes à usage spécial sont utilisées pour la publicité lumineuse extérieure et intérieure, la médecine légale, l'aviation et l'astronautique, l'éclairage de spectacles, etc.
Principaux types et caractéristiques
Les principaux types de lampes à incandescence sont :
- Lampes à usage général. Ils sont désignés par l'abréviation LON. En général, il s'agit d'appareils d'une puissance de 25, 40, 60, 75 et 100 watts. La plus courante est de 60 W. Mais on trouve dans le commerce des LLH de 150, 200, 500 et même 1000 watts.
- Lampes à incandescence halogènes. Disponible pour les applications haute tension et basse tension de 220 V ou 110 V. Dans ce cas, ils sont alimentés par un transformateur abaisseur.
Une variété de lampes halogènes à basse tension :
- capsule, ayant une forme de tubes tout-verre avec différentes bases - soit des capsules à bouts arrondis GY6.35 ou G4 ;
- lampes à réflecteur avec un élément réfléchissant, diamètre de 35 à 111 mm, douille GZ10 avec options.
Haute tension. La tension de base est de 220-230 V, 50 Hz. Ces lampes ont plus de versions :
- linéaire - comme un tube en verre avec des bases R7S ;
- cylindrique - douille E27, E14 ou B15D ;
- avec télécommande ou ampoule supplémentaire.
Ces derniers comportent une ampoule ou un tube halogène monté de manière rigide à l'intérieur de l'ampoule. Il est soudé au noyau central de l'ampoule LON standard et comporte des fils flexibles reliés à un culot Edison E27 ou E14 standard. Avec une puissance de 70 à 100 W, elle fournit un flux lumineux de 20 à 30 % supérieur à celui d'une ampoule à incandescence standard.
Ces modèles ont une efficacité énergétique plus élevée, allant jusqu'à 12-25 Lm/W, alors que le rendement des sources lumineuses LON classiques varie de 3-4 à 10-12 Lm/W.
La durée de vie des modèles halogènes est de 4-5 à 10-12 mille heures.
Classification des lampes en fonction de leur utilisation et de leur conception
Ampoules décoratives
Ces dernières années, des lampes rétro qui imitent les ampoules Edison d'époque sont apparues.
En outre, ils ont la forme de "bougie", de "chandelle dans le vent", de "cône", de "poire", de "boule", etc.
Miroir
Les lampes à réflecteur ont un revêtement réfléchissant à l'intérieur de l'ampoule. Il s'agit généralement d'un revêtement en métal comme l'argent, l'aluminium ou l'or. Cette couche peut être fine et translucide ou épaisse et opaque.
Les structures réfléchissantes sont utilisées dans la fabrication pour le chauffage de processus totalement purs, par exemple dans la fabrication de semi-conducteurs avec des matériaux de haute pureté. Ici, un inconvénient des lampes à incandescence - le flux élevé de rayonnement infrarouge - devient un avantage imbattable.
Ces lampes sont utilisées dans des luminaires à faisceau lumineux étroit et orientable.
Signal
Les feux de signalisation sont des sources lumineuses clignotantes. Généralement sous forme de balises clignotantes, par exemple sur les véhicules de service, sur les avions et les hélicoptères, pour transmettre des messages lumineux dans la marine, etc. Ils ont un filament fin qui permet une augmentation rapide de la luminosité.
Transport .
Ce type de lampes est destiné à être utilisé dans différents types de transport, tels que : les automobiles, les chemins de fer et les navires souterrains, fluviaux et maritimes. Leur principale exigence est la résistance aux vibrations et aux impacts. Pour ce faire, le filament est raccourci et monté sur plusieurs éléments de support. Les culots de ces ampoules sont à baïonnette, à broche ou à soffite. Ils empêchent l'appareil de se dévisser et de tomber de la prise.
Lampes d'éclairage .
Le nom implique que ces lampes sont utilisées pour l'éclairage. C'est pourquoi leurs ampoules sont faites de verre de différentes couleurs - bleu, vert, jaune, rouge, etc.
Double brin .
Le schéma d'une telle lampe à incandescence : Deux filaments séparés dans une ampoule. Dans un phare de voiture, par exemple, une lampe à double filament est utilisée comme suit :
- lorsqu'une tension est appliquée à un filament, les feux de croisement s'allument - le faisceau lumineux est "pressé" contre la chaussée et le faisceau s'étend sur plusieurs dizaines de mètres ;
- Après le passage au deuxième filament, la lumière augmente et sa portée peut atteindre des centaines de mètres et le faisceau sera considérablement plus important.
Ces feux peuvent également se trouver dans un feu arrière. Le premier filament est pour les feux de stationnement, le second est pour le feu de stop.
Dans les feux de circulation, les lampes à double filament augmentent leur fiabilité. La duplication permet au dispositif de fonctionner soit avec un seul filament, soit d'allumer le second après que le premier ait explosé. Et sur les chemins de fer, par exemple, une signalisation fiable est une garantie de la sécurité des transports.
Général, local
Rangée supérieure, de gauche à droite : douille E14 pour lustres, appliques et petites lampes ; douille E27 pour lampes à usage général ; vert, rouge, jaune - lampes d'éclairage.
Rangée du bas : bleu - à des fins médicales pour des procédures ; miroir avec un réflecteur - pour des travaux photographiques ou un éclairage spécial, avec du verre violet, les deux extérieurs - décoratifs avec une ampoule "bougie" et une douille E27 et E14.
Avantages et inconvénients
Avantages des ampoules à incandescence :
- Prix bas - matériaux simples et peu coûteux, conception et technologie élaborées au fil des décennies, production automatisée en masse ;
- des dimensions relativement réduites ;
- Les surtensions du secteur ne provoquent pas de défaillance immédiate ;
- Le démarrage ainsi que le redémarrage sont instantanés ;
- avec une alimentation en courant alternatif 50-60Hz, la pulsation de la luminosité est imperceptible ;
- la luminance est modulable ;
- le spectre d'émission est uniforme et familier à l'œil - semblable à celui du soleil ;
- Les caractéristiques des lampes de différents fabricants sont presque exactement les mêmes ;
- L'indice de rendu des couleurs Ra ou CRI - qualité du rendu des couleurs des objets éclairés - est égal à 100, ce qui correspond parfaitement à l'indice du soleil ;
- les petites dimensions du filament compact donnent des ombres claires ;
- une grande fiabilité en cas de froid et de chaleur extrêmes ;
- La conception permet la production en série de modèles dont la tension de fonctionnement varie de quelques fractions à plusieurs centaines de volts ;
- Alimentation en courant alternatif ou continu en l'absence de démarreurs
- La nature active de la résistance du filament assure un facteur de puissance (cosinus φ) de 1 ;
- indifférent aux radiations, aux impulsions électromagnétiques, aux interférences ;
- pratiquement aucune composante UV dans le rayonnement ;
- Le fonctionnement standard avec allumage et extinction fréquents des lumières est assuré, etc.
Les inconvénients sont les suivants :
- La durée de vie nominale des LON est de 1 000 heures, tandis que pour les lampes à incandescence halogènes, elle est de 3 à 5-6 mille heures. fluorescent - jusqu'à 10-50 mille heures, les lampes LED - 30-150 mille heures ou plus ;
- L'ampoule en verre et le filament fin sont sensibles aux chocs ; les vibrations peuvent provoquer des résonances à certaines fréquences ;
- Forte dépendance de l'efficacité énergétique et de la durée de vie par rapport à la tension d'alimentation ;
- L'efficacité de la conversion de l'électricité en lumière visible ne dépasse pas 3-4%, mais augmente avec la puissance ;
- La température de surface de l'ampoule dépend de la puissance et est la suivante : 100W - 290°C, 200W - 330°C, 25W - 100°C ;
- Lors de la mise sous tension, le pic de courant avant que le filament ne se réchauffe peut être dix fois supérieur au courant nominal ;
- Les douilles et les raccords des luminaires doivent être résistants à la chaleur.
Comment prolonger la durée de vie des lampes
Il existe de nombreuses façons d'augmenter la durée de vie des lampes. Les plus couramment utilisés sont :
- Limitation du courant d'appel par l'incorporation d'une thermistance en série avec la lampe, dont la résistance élevée diminue lorsque le courant d'appel la réchauffe ;
- Démarrage progressif avec gradation manuelle par un gradateur à thyristor ou triac ;
- Alimentation de la lampe par une puissante diode redresseuse, c'est-à-dire une tension redressée de la moitié d'une onde sinusoïdale ;
- Connecter les lampes par paires dans les luminaires à plusieurs lampes, par exemple les lustres.
L'industrie moderne produit un grand nombre de types différents de lampes à incandescence avec une large gamme de tensions et de puissances de fonctionnement, avec différentes nuances de luminescence, configurations d'ampoules et culots. Cette gamme vous permet de choisir choisissez la lampe nécessaire pour chaque application.